地空时频域电磁法对隧道岩溶的探测分析_单玉孟.pdf

2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying73 地空时频域电磁法对隧道岩溶的探测分析单玉孟1,史永杰2,严绍明1,魏海民2,袁 刚1(1.云南临云高速公路有限公司,云南 临沧 675800;2.云南航天工程物探检测股份有限公司,昆明 650217)摘要:随着我国西南交通建设的快速推进,为保障隧道建设期安全,针对隧道不良地质的勘察意义重大,而地面勘察技术手段受地形等影响,工作效率低,局部区域难以开展。鉴于此,针对云南省某公路隧道开展了水文地质调查、地球物理特征统计及地空时频域电磁探测,查明了隧道沿线的不良地质段、设计轴线周围的岩溶或富水区的空间分布形态,为隧道施工安全与整治提供了依据。该方法的成功应用,可为国内碳酸盐岩地区的隧道岩溶勘察提供一种可借鉴的技术手段,同时可推广到工程建设与矿产勘查等领域,预期可取得较好的应用效果。关键词:不良地质;地空时频域电磁法;岩溶勘察;隧道建设中图分类号:P631.3文献标识码:ADetection and analysis of tunnel karst by ground-airborne time-frequency electromagnetic methodShan Yumeng1,Shi Yongjie2,Yan Shaoming1,Wei Haimin2,Yuan Gang1(1.Yunnan Linyun Expressway Co.,Ltd,Lincang 675800,China;2.Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Prospecting Co.,Ltd,Kunming 650217,China)Abstract:With the rapid development of transportation construction in southwest China,in order to ensure the tunnel construction safety,it is significant to investigate the adverse geology of the tunnel.However,ground survey is affected by the topography,and the work efficiency is low,and it is sometimes difficult to carry out in some areas.Hydrogeological survey,geophysical characteristics statistics and ground-airborne time-frequency electromagnetic detection was carried out along the highway tunnel in Yunnan Province to investigate the adverse geological sections,and the spatial distribution patterns of karst or water-rich areas around the tunnel design axis,which provided a basis for the tunnel construction safety.The successful application of this method could provide a referable technical means for tunnel karst exploration in carbonate rock areas in China and could be extended to engineering construction and mineral exploration.Key words:adverse geology;ground-airborne time-frequency electromagnetic method;karst exploration;tunnel construction收稿日期:2022-05-20;修订日期:2022-07-11基金项目:本项目受云南省交通运输厅科技创新及示范项目云交科教便2019 48 号资助.作者简介:单玉孟(1976-),男(汉族),云南建水人,大学本科,高级工程师.通讯作者:魏海民(1987-),男(汉族),甘肃兰州人,硕士,高级工程师.0引言我国西南地区地质条件复杂,受地块挤压、地震活动等产生的断裂带较发育1,加之地下水丰富,故在碳酸盐岩地区发育有丰富的岩溶2。大多岩溶含水、含泥,广泛发育的断裂带也会成为导水构造,因此在隧道施工中很容易遇到涌水、突泥等地质灾害,严重影响隧道施工安全及进度,因此有必要在隧道开挖前探明隧道周围岩溶发育情况,为隧道施工安全防护提供技术支撑。目前对于隧道岩溶的地球物理勘查手段,主要以地表的电法类和洞内弹性波法、地质雷达探测为主3,4,地表的电法类受地形影响在许多线路途径区域难以开展5,6,工作效率低;洞内方法的探测深度浅,且在隧道开挖前无法开展7。而钻探工程施工成本高,对孔周信息获取有限,且不够绿色环保8,9。因此,有必要针对隧道岩溶开展大深度、高效率的地空电磁法74 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期探测。本文选择云南省某公路交通隧道,在开展地质调查和地球物理特征统计的基础上,利用地空时频域电磁法探明了隧道沿线的断裂破碎带和岩溶等不良地质,为隧道安全施工提供了依据,同时也为复杂地形地区的岩溶及断裂破碎带的地球物理勘查提供了可借鉴的技术手段。1工区地质及地球物理特征1.1地层及主要岩性测区内地层主要有:第四系全新统残坡积层(Q4el+dl),三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1)、下统大冶组(T1d),二叠系上统吴家坪组和大隆组(P3w+d)、中统孤峰组(P2g)、中统茅口组(P2m)、中统梁山组 和 栖 霞 组(P2l+q),志 留 系 中 统 纱 帽 组(S2s)、下统罗惹坪组(S1lr),详见图 1。沿线地层主要岩性见表 1。表 1沿线地层主要岩性Table 1Main lithology of the strata along the line地层岩性第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)粉质粘土夹角砾、碎石、块石三叠系下统嘉陵江组(T1j)灰岩、泥质灰岩三叠系下统大冶组(T1d)泥质灰岩、灰质页岩、白云质灰岩、白云岩二叠 系 上 统 吴 家 坪 组 和 大 隆 组(P3w+d)灰岩、炭质页岩二叠系中统孤峰组(P2g)粘土岩、煤层二叠系中统茅口组(P2m)灰岩、生物碎屑灰岩二叠系中统梁山组和栖霞组(P2l+q)粘土岩、炭质页岩、生物碎屑灰岩志留系中统纱帽组(S2s)长石石英砂岩、粉砂岩夹页岩志留系下统罗惹坪组(S1lr)粉砂 岩 夹 粉 砂 质 页 岩、石 英砂岩1.2构造及水文地质据现场调查及工勘资料,测区沿隧道轴线为郑家沟向斜(参见图 1),核部地层为三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1),向两翼依次为三叠系下统大冶组(T1d),二叠系上统吴家坪组和大隆组(P3w+d)、中统孤峰组(P2g)、中统茅口组(P2m)、中统梁山组和栖霞组(P2l+q),志留系中统纱帽组(S2s)、下统罗惹坪组(S1lr)。该向斜轴走向北西,两翼近似对称,两翼地层倾角地表较缓、深部较陡、局部近直立。根据区域资料分析,测区存在隐伏断裂破碎带(F23),该断层在隧道的东南侧郑家沟向斜轴附近出露,并与向斜轴近于平行,与附近其它区域性大断层产状近一致,为走向北西的陡倾断层,按此延伸,F23与隧道轴线相交于桩号 K64+250(地表)处,详见图 1。区内主要含水层为碳酸盐岩含水层,三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1)和大冶组中厚层灰岩、白云岩和 二 叠 系 上 统 吴 家 坪 组(P3w)、中 统 茅 口 组(P2m)、中统栖霞组(P2q)中厚层灰岩组成,该类含水层(组)岩溶发育,富水性、透水性强,地表岩溶发育,出露众多落水洞、漏斗、竖井、溶洞、暗河等岩溶现象。二叠系上统大隆组(P3d)、中统梁山组(P2l)由薄层中厚层泥质灰岩、灰岩夹薄层状页岩、粘土岩、粉砂岩、砂岩等组成。该含水层(组)受构造发育影响多数岩溶发育,地表有落水洞、竖井、漏斗、溶洞等,暗河等岩溶现象中等发育,富水性中等,局部受构造及地形地貌影响富水性较强,透水性中等较好,富水性分区见图 1。1.3地球物理特征本次工作对测区内的主要岩性的电阻率进行测定,每类岩性取样 30 40 块,测定后计算平均值,得到每类岩性的电阻率平均值,如表 2 所示。由各类岩石的电阻率测定统计结果可知,断层泥的电阻率极低(100 m),粘土岩、炭质页岩、粉砂质页岩、灰质 页 岩、粉 砂 岩 的 电 阻 率 一 般 介 于 102103 m 之间,泥质灰岩、石英砂岩、白云岩、白云质灰岩的电阻率一般介于 103 104 m 之间,而一般溶洞水的电阻率小于 100 m,不含水溶洞或空洞的电阻率一般大于 104 m。由此可见,第四系覆盖层、岩溶富水区、溶洞(充填水或充填黄泥)、暗河、断层破碎带与围岩之间存在明显的电阻率差异,因此在本区内开展地空时频域电磁法探测隧道岩溶具备地球物理基础。表 2主要岩性的电阻率平均值Table 2Average resistivity of major lithology岩性电阻率平均值(m)断层泥86粘土岩269炭质页岩358粉砂质页岩568灰质页岩695粉砂岩869泥质灰岩1568石英砂岩4267白云岩5650白云质灰岩60892方法原理及测线布置2.1地空时频域电磁法探测原理该系统以超大功率的电性源发射作为激励场2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying75 图 1测区地质条件及物探测线布置Fig.1The geological condition and layout of geophysical detection lines in the survey area源,发射信号的波形包括正负交替方波、占空比可调的矩形波及伪随机信号波等10,频率可根据需要调整。利用发射电极深部接地技术,采用高纯度铜线降低发射电极线的电阻,以及接地耦合匹配技术,达到极低的接地电阻,实现超大电流发射;利用双源多频伪随机波实现时频同时发射以及多个应用频点的一次全覆盖11。隧道区域受人工源电磁场的激发,会感应出二次场,并随地质体变化而变化。通过无人机吊载时、频域电磁采集系统观测隧道上方空中的二次场或磁场信号,通过电阻率成像可获取与地下电性结构相关的信息,工作原理见图2 所示。2.2测线布置结合隧道设计线路,布设地空时频域电磁法测线,其中源线 1 条,长度 1km;A、B 极分别布置极坑 9 个,每个极坑长 1.5m、宽 1.5m、深 0.5m,9 个极坑之间并联连接;共布置 5 条测线(图 1 中L1-L5),测线方向为近南北向,各测线长度 1.3km(ZK63+200 ZK64+500),L2 线与隧道左线位置重合,L3 线与隧道右线位置重合,L1 线与 L2 线平行,线距 50m,位于隧道左幅东侧,L4、L5 线与 L3线平行,距离 L3 垂距分别为 50m 和 100m,位于隧道右幅西侧。测线布置详见图 1 中黑色粗实线所示。图 2地空时频域电磁法原理示意图Fig.2Schematic diagram of ground-airborne time-frequency electromagnetic method principle3数据采集及处理本次数据采集中供电电流大小为 30A,采集频率设置 4 个频组,20 个频点,见表 3 所示